暨南大学纳米光子学研究院教授李宝军、辛洪宝与哈佛大学教授Luke P. Lee合作，借助等离激元光学纳米天线揭示了细菌酶分子释放及释放过程中的周期振荡特性。
相关研究成果以“Dynamic monitoring of oscillatory enzyme activity of individual live bacteria via nanoplasmonic optical antennas”为题发表在期刊Nature Photonics。论文第一作者为暨南大学纳米光子学研究院鲁登云博士研究生，通讯作者为暨南大学李宝军教授、辛洪宝教授、哈佛大学Luke P. Lee教授。
细菌是诸多感染性疾病的病原体，细菌通过外膜囊泡进行细菌个体之间及细菌与宿主细胞之间的通讯。酶分子作为细菌外膜囊泡释放的重要信号分子，在细菌感染及抗生素分解过程中扮演着重要角色。为了破解细菌感染的本质及细菌耐药性的原因，人们盼望能搞清楚
细菌外膜囊泡释放酶分子的规律
。然而，由于外膜囊泡携带的酶分子含量低，且缺乏长时间高精度实时监测酶分子的方法，人们
一直无法观察到
细菌外膜囊泡酶分子的释放
过程，也无法知道酶分子是如何调控细胞通讯的，致使其成为长期悬而未决的难题。
为了攻克这一难题，暨南大学纳米光子学研究院教授李宝军、辛洪宝与哈佛大学教授Luke P. Lee合作，提出用等离激元光学
纳米天线
研究细菌酶分子行为的构想。他们将具有共振波长匹配的金纳米棒（长度约77 nm，直径约38 nm）与BHQ分子（黑洞淬灭分子）通过静电作用连接在一起，构建出
等离激元光学纳米天线
。由于BHQ分子的强吸收峰与金纳米棒的
等离激元共振峰
重叠，因而，BHQ分子会通过共振调控减小金纳米棒的散射截面，从而降低金纳米棒的散射强度（
也就是金纳米棒
的散射强度被BHQ分子的吸收峰有效抑制）。具体来说，当BHQ分子遇到细菌外膜囊泡释放的
偶氮还原
酶分子时，BHQ分子的
偶氮双键
会被偶氮还原酶分子切断，使得BHQ分子不再具有强吸收峰，此时，被抑制的金纳米棒的散射强度得到恢复，从而得知有偶氮还原酶分子出现。等离激元光学纳米天线再将探测到的偶氮还原酶分子信号以光信号形式发射出去，完成了细菌酶分子释放规律的实验探测。
图1：(a) 等离激元光学纳米天线探测细菌酶分子振荡的示意图。(b) 具有不同共振峰的等离激元光学纳米天线探测细菌酶分子的暗场图。(c) 细菌外膜囊泡示意图。(d) 细菌通讯过程中酶分子振荡和振荡耦合示意图。(e) 等离激元光学纳米天线对外膜囊泡释放的酶分子进行光学探测的机制。
实验中，他们将所构建的等离激元光学纳米天线放置于细菌生存环境中，根据等离激元光学纳米天线散射光谱强度的变化，分别对单个大肠杆菌和金黄色葡萄球菌外膜囊泡释放的偶氮还原酶分子进行了持续实时探测。外膜囊泡释放到周围环境后，周围渗透压的改变和等离激元光学纳米天线的局域光热效应会促进外膜囊泡的破裂，使得酶分子释放而被等离激元光学纳米天线探测到。实验表明，这种等离激元光学纳米天线的探测时间长（长达数小时至数十小时）、探测灵敏度高（单分子级别）、稳定性好（无光漂白）、具有远距离探测能力（距离细菌表面达到
3 μm
）。
图2：(a) 等离激元光学纳米天线实现单细菌远距离酶分子探测示意图。(b) 等离激元局部光热效应促进OMVs释放酶分子实现探测的示意图。(c)和(d)分别为纳米天线对单个革兰氏阴性大肠杆菌和革兰氏阳性金黄色葡萄球菌远距离酶分子探测的暗场图。(e)酶分子长时间连续探测结果。(f)酶分子长距离探测结果。(g)不同尺寸细菌的长距离探测极限。
基于等离激元光学纳米天线酶分子探测的能力，进一步，实现了对处于不同生命阶段的单个细菌酶分子的探测。首次发现了
细菌外膜囊泡释放酶分子的规律及其释放过程中的周期振荡特性
。对于处于不同生命阶段的细菌，细菌具有不同的新陈代谢效率，它们在适应外界环境的过程中与周围环境的信号传导也不同，导致它们的酶分子释放过程具有不同的周期震荡特性。这种周期震荡的酶分子释放特性只存在于活细菌中，对于处于凋亡阶段的细菌，并不存在这种规律。
图3：(a)-(d)分别为大肠杆菌处于迟缓期、对数期、稳定期、衰亡期细菌酶分子探测的暗场图片，(e)不同时期酶分子释放的振荡曲线。(f)凋亡过程中细菌酶分子释放的特性。(g)-(j)活细菌和凋亡细菌不同生命阶段酶分子震荡特性的参数表证。
除了单个细菌酶分子的周期振荡特性，这种等离激元光学纳米天线还能揭示细菌处于通讯过程中酶分子的调控机制。研究表明，相邻细菌在通讯过程中，酶分子的释放会相互耦合。对于处于不同时期的细菌，例如，稳定期-稳定期、迟缓期-稳定期、迟缓期-衰亡期，它们 的耦合过程存在很大的差别。此外，跨物种的细菌在通讯过程中酶分子也会相互耦合，例如稳定期的大肠杆菌和稳定期的金黄色葡萄球菌。与单个细菌相比，对于处于通讯过程的细菌，由于对外界环境刺激的适应与反馈不同，酶分子振荡耦合后，它们的酶分子释放呈现出新的振荡规律，这种耦合与细菌之间的距离有较大的依赖。此外，这种酶分子振荡耦合会进一步调控相邻细菌的通讯过程。
图4：(a)-(c)分别为大肠杆菌处于稳定期—稳定期、迟缓期—稳定期、迟缓期—衰亡期通讯过程中酶分子振荡耦合的实时探测，(d)稳定期大肠杆菌和稳定期金黄色葡萄球菌通讯时酶振荡耦合的实时探测。(e) 单细菌通讯中实时酶分子振荡的耦合信号。(f)细菌处于不同耦合距离时，通讯过程的酶分子释放特性。(g)和(h)通讯过程中细菌耦合的周期特性。
这种基于等离激元光学纳米天线的酶分子周期振荡特性的观测将为深入研究细菌跨物种通讯、细菌与宿主细胞之间的通讯以及与细菌感染相关重大疾病的传播机制提供了新方法，也为研究超级细菌耐药性问题提供了新思路，还将为揭示生物系统中其他酶分子等生物分子的生物振荡提供了新见解。
辛洪宝，暨南大学纳米光子学研究院教授、副院长、博士生导师。本科和博士毕业于中山大学，之后在新加坡国立大学和加州大学伯克利分校进行博士后研究，于2018年7月加入暨南大学纳米光子学研究院。长期从事生物光子学和微纳光子学的研究，主要研究兴趣包括光镊与光学操控、光控生物微马达与微纳机器人、纳米等离激元与生物分子探测等。任APL Photonics、中国激光等期刊青年编委。以第一/通讯作者在Nature Photonics、Nature Reviews Materials、Light: Science & Applications、Nature Communications等发表论文30余篇。课题组长期招聘博士后和青年教师。
Lu, D., Zhu, G., Li, X. et al. Dynamic monitoring of oscillatory enzyme activity of individual live bacteria via nanoplasmonic optical antennas. Nat. Photon. (2023).
文章来源：中国光学
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